某復(fù)雜地形氧化鋁廠原礦堆場(chǎng)的結(jié)構(gòu)方案比選及優(yōu)化

王潔斌

（沈陽(yáng)科維潤(rùn)工程技術(shù)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110166）

0.引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷提高，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑種類也出現(xiàn)得越來(lái)越多，尤其是大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的種類和形式更是層出不窮[1]。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)從以往的體育場(chǎng)館為主，擴(kuò)展到會(huì)展中心、航站樓、機(jī)庫(kù)及單層工業(yè)廠房等[2]，帶來(lái)了空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的空前繁榮。另外，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，近幾年，大跨度的堆場(chǎng)封閉將是鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的另一個(gè)局勢(shì)[3]。對(duì)于堆場(chǎng)封閉，需要根據(jù)生產(chǎn)工藝條件、堆取料機(jī)布置形式和使用功能等方面[4]，選用合理的結(jié)構(gòu)方案，使堆場(chǎng)使用功能得到滿足，結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性得到合理的均衡，顯得越來(lái)越重要。本文以某氧化鋁廠原礦堆場(chǎng)封閉方案為例，選取幾種不同的結(jié)構(gòu)方案，并采用專業(yè)計(jì)算軟件對(duì)幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化和比選，選擇出具有高安全性與經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)方案[5]。

1.項(xiàng)目概述

某氧化鋁廠位于重慶市某產(chǎn)業(yè)園區(qū)，場(chǎng)內(nèi)設(shè)有1座原礦堆場(chǎng)，主要用于堆存未破碎幾內(nèi)亞鋁土礦粗礦，堆料高度約為12m，總儲(chǔ)存量約為55萬(wàn)t。港口來(lái)料經(jīng)皮帶輸送機(jī)送于原礦堆場(chǎng)堆存，然后采用汽運(yùn)送入卸礦站，再經(jīng)皮帶輸送機(jī)送入破碎及篩分工序。

建設(shè)原礦堆場(chǎng)長(zhǎng)度為243m，寬度為210m，建筑面積約為5萬(wàn)m2，呈六邊形分布。該建場(chǎng)地為山丘地貌，地形非常復(fù)雜，經(jīng)過人工開挖平整后其場(chǎng)地為南高北低、西高東低，地面高程在335.00m～358.500m，最高點(diǎn)位于西南角，地面高程為358.50m。南側(cè)地面從西向東為斜坡狀，相對(duì)高差為13m，西側(cè)地勢(shì)從南向北為臺(tái)階狀，最大高差為23.5m。另外，為了滿足生產(chǎn)工藝需要，在堆場(chǎng)內(nèi)設(shè)有一條皮帶輸送機(jī)，安裝高度為26.5m。圖1為原礦堆場(chǎng)的工藝平面布置圖。圖2為原礦堆場(chǎng)的現(xiàn)有地形圖。現(xiàn)需要結(jié)合現(xiàn)有地形、工藝布置和運(yùn)輸條件，對(duì)堆場(chǎng)進(jìn)行封閉，在國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目較少見到。因此，有必要從經(jīng)濟(jì)、安全及實(shí)用性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)建筑性能綜合最優(yōu)。

圖1 工藝平面布置圖

圖2 現(xiàn)有地形圖

2.方案比選

2.1 設(shè)計(jì)方案

原礦堆場(chǎng)主體選用鋼結(jié)構(gòu)，經(jīng)過充分考慮生產(chǎn)工藝條件、皮帶輸送機(jī)布置位置和堆料方式，以及經(jīng)過實(shí)地的現(xiàn)場(chǎng)踏勘和業(yè)主的交流，采用以下3種方案對(duì)堆場(chǎng)進(jìn)行封閉。

2.1.1 雙坡三跨

本方案采用雙坡空間管桁架結(jié)構(gòu)形式，中間布有2排樹狀柱，將料棚分為3跨，跨度分別為66m、78m和66m，料棚總高度為51m，邊柱的柱距均為12m，中柱采用鋼管混凝土柱，柱距為24m。皮帶輸送機(jī)位于第二跨，而且皮帶輸送機(jī)支架進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。建筑效果圖和剖面圖如圖3和圖4所示。

圖3 雙坡三跨建筑效果圖

圖4 雙坡三跨建筑剖面圖

2.1.2 三拱三跨

本方案采用三拱三跨的桁架拱結(jié)構(gòu)形式，設(shè)有2排空間桁架將3個(gè)拱連為整體，切角的位置采用單坡屋面跟空間桁架連接。3個(gè)桁架拱的跨度度分別為66m、78m和66m，料棚總高度為46m，邊柱的柱距均為12m，中柱采用鋼管混凝土柱，柱距為30m。皮帶輸送機(jī)位于第二拱中，而且皮帶輸送機(jī)支架進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。建筑效果圖和剖面圖如圖5、6所示。

圖5 三拱三跨建筑效果圖

圖6 三拱三跨建筑剖面圖

2.1.3 三拱三跨+皮帶廊

本方案采用三拱三跨的桁架拱結(jié)構(gòu)形式，設(shè)有2排空間桁架將3個(gè)拱連為整體，切角的位置采用單坡屋面跟空間桁架連接。3個(gè)桁架拱的跨度度分別為89.35m、69.15m和51.5m，料棚總高度為51.5m，邊柱的柱距均為9m，中柱采用鋼管混凝土柱，柱距為36m。其中靠南側(cè)的空間桁架也是皮帶輸送機(jī)的支架。建筑效果圖和剖面圖如圖7和圖8所示。

圖7 三拱三跨+皮帶廊 建筑效果圖

圖8 三拱三跨+皮帶廊 建筑剖面圖

2.2 荷載工況及組合

根據(jù)工程所在地的自然條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要的荷載有恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載和地震作用等。屋面恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重和屋面恒荷載，其中屋面恒荷載為0.1kN/m2；屋面活荷載為0.30kN/m2；基本風(fēng)壓為0.35kN/m2（重現(xiàn)期100年）；抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別屬于Ⅱ類。

選取的主要荷載組合包括：恒＋活、恒＋風(fēng)、恒＋活＋風(fēng)、恒＋地震等，具體組合系數(shù)按荷載規(guī)范的有關(guān)規(guī)定選取。

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

分別采用3D3S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立不同方案的有限元模型，并進(jìn)行計(jì)算分析計(jì)算和優(yōu)化。

2.3.1 鋼構(gòu)件應(yīng)力結(jié)果

在所有荷載作用下，選取最不利組工況組合，得到各方案的應(yīng)力分析結(jié)果如表1所示。

表1 強(qiáng)度及穩(wěn)定應(yīng)力比分析結(jié)果

由表1可知，3種方案的強(qiáng)度和穩(wěn)定應(yīng)力比均滿足規(guī)范要求。

2.3.2 整體變形結(jié)果

由于堆場(chǎng)料棚屬于大跨度結(jié)構(gòu)，變形對(duì)結(jié)構(gòu)有較大影響，在最不利組合工況下，整體結(jié)構(gòu)的變形情況如表2和圖9～圖11所示。

表2 結(jié)構(gòu)最大變形（mm）

從表2和圖9～圖11可以看出，3種方案水平側(cè)移度差距不顯著，但是三拱三跨和三拱三跨+皮帶廊的豎向撓度明顯優(yōu)于雙坡雙跨結(jié)構(gòu)。

圖9 雙坡三跨

圖10 三拱三跨

圖11 三拱三跨+皮帶廊

2.3.3 支座反力結(jié)果

支座反力也是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素，尤其是大跨度拱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平推力，會(huì)使混凝土短柱和基礎(chǔ)的混凝土用量增多，經(jīng)過計(jì)算，3種方案的最大支座反力如表3所示。

表3 最大支座反力

由表3可以看出，3種方案中柱的支座反力最大，尤其是雙坡三跨方案，彎矩值是其他2種方案的2～3倍，相比而言，三拱三跨+皮帶廊的支座反力最小。同時(shí)，三拱三跨+皮帶廊方案減少了皮帶輸送機(jī)支架的基礎(chǔ)，大大減少了混凝土的用量。

2.4 工程造價(jià)估算

用鋼量直接和工程造價(jià)相關(guān)，在上述桿件應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形、抗震性能和支座反力等滿足規(guī)范的情況下，3種方案的用鋼量如表4所示。

表4 用鋼量對(duì)比表

由表4可知，雙坡三跨方案的鋼材用量最多，三拱三跨+皮帶廊的鋼材用量最少。三拱三跨+皮帶廊方案比雙坡三跨、三拱三跨方案節(jié)省鋼材量分別為450t和200t，直接減低工程造價(jià)約450萬(wàn)元和200萬(wàn)元。

3.結(jié)論

根據(jù)以上分析對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：

（1）從使用功能上來(lái)說(shuō)，3種方案均滿足生產(chǎn)工藝和堆料要求，但三拱三跨+皮帶廊方案空間更大，更方便于物料的堆存和運(yùn)輸。

（2）從安全性上來(lái)說(shuō)，3種方案的剛度和強(qiáng)度能均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但是三拱三跨和三拱三跨+皮帶廊方案的剛度優(yōu)于其他2種方案。

（3）從支座反力上來(lái)說(shuō)，三拱三跨+皮帶廊方案的支座反力最小，有利于基礎(chǔ)和混凝土短柱的設(shè)計(jì)，而且減少了輸送皮帶支架的基礎(chǔ)，所以混凝土用量少于其他2種方案。

（4）從用鋼量上來(lái)說(shuō)，三拱三跨+皮帶廊方案的鋼材量最少，工程造價(jià)最低。

綜合上述可知，三拱三跨+皮帶廊方案的結(jié)構(gòu)不僅在使用功能上還是在安全性、工程造價(jià)上均優(yōu)于其他2種方案，為本工程的優(yōu)選方案。